叶片功能性状对地球系统模型中植被光学特性的影响：从植物功能型到功能性状的范式转变

为解决传统地球系统模型(ESM)中植物功能型(PFT)方法忽略叶片功能性状(PFC)多样性的问题，Yujie Wang等研究人员通过整合全球叶片叶绿素含量(CHL)和单位叶面积质量(LMA)数据，在社区地球系统模型(CESM)中构建了基于PFC的叶片光学特性(LOP)方案。研究发现，新方案显著改变了热带和寒带森林的短波反照率(>5 W m-2辐射通量差异)及碳汇格局，并通过陆-气耦合作用影响云量、降水和温度分布。该研究为改进ESM中植被-气候反馈机制提供了关键理论支撑。

　　

当前地球系统模型(ESM)在模拟陆地表面过程时，普遍采用植物功能型(PFT)分类法，这种方法将复杂的植被多样性简化为有限类别，忽略了叶片功能性状(PFC)如叶绿素含量(CHL)和单位叶面积质量(LMA)的连续变化。这种简化可能导致对地表能量平衡和碳循环的误判，进而影响气候预测的准确性。随着全球变暖加剧，精确量化植被对地表能量收支的影响变得尤为迫切。热带和寒带森林作为关键碳汇，其光学特性的微小差异可能通过辐射强迫效应显著改变区域乃至全球气候。

中国科学技术大学的研究团队联合加州理工学院等机构，在《Nature Communications》发表研究，首次将基于PFC的叶片光学特性(LOP)方案整合至社区地球系统模型(CESM)中。通过分析全球CHL和LMA的空间分布特征，团队发现传统PFT方案高估寒带森林反照率、低估热带森林吸收率，新方案使热带短波反照率降低而寒带升高，辐射通量差异超5 W m^--2。这种变化通过陆-气耦合进一步影响云量分布和降水格局，例如亚马逊地区气温上升0.1-0.2°C，而东北亚降温超0.4°C。碳循环模拟显示，尽管热带光合作用因冠层光分布改变而减弱，寒带碳汇能力却因透光率提升而增强。

研究采用三项关键技术：(1) 基于PROSPECT模型和全球0.5°网格的CHL、LMA数据，通过CliMA Land模型生成高光谱LOP；(2) 将年度平均宽带反射率(ρ)和透射率(τ)替代CESM中PFT预设值；(3) 设计五组模拟实验（耦合/非耦合历史与未来情景），对比分析能量收支、碳通量和气候响应差异。

主要结果

1. 叶片光学特性：PFC方案揭示CHL和LMA对PAR(400-700 nm)和NIR(700-2500 nm)波段的差异化调控。例如热带森林ρ_PAR范围(0.06-0.32)远超PFT预设值(0.07-0.11)，而寒带NIR吸收率被传统方案高估达85%。
2. 表面能量收支：PFC方案使热带反照率更接近MODIS观测，但寒带因CHL低估仍存偏差。耦合模拟中，澳大利亚辐射强迫差异导致局地升温0.5°C。
3. 碳循环响应：寒带GPP(总初级生产力)增加源于冠层下部PAR可利用性提升，而热带光饱和效应抑制生产力，全球净碳汇略有增强。
4. 气候反馈：SSP585情景下，云量年际变异达7%，降水格局改变超250 mm yr^-1，大气顶辐射通量波动±10 W m^-2。

这项研究突破了PFT范式四十年的技术桎梏，证实植被性状多样性通过光学-气候-碳循环三重反馈影响地球系统。未来EMIT、PACE等卫星高光谱数据将进一步提升LMA和LWC(叶片水含量)参数的时空分辨率。研究者公开了全球LOP数据集，为CMIP6等国际模型比较计划提供新基准，推动ESM从"类型分类"向"性状驱动"的变革，对评估基于自然的气候解决方案(如造林工程)具有深远意义。